黃曉鋒，陳勝宇

(核動(dòng)力運(yùn)行研究所，武漢 430223)

蒸汽發(fā)生器傳熱管是蒸汽發(fā)生器一回路承壓邊界的重要組成部分，承擔(dān)著一次側(cè)與二次側(cè)的熱交換任務(wù)，也是防止核泄漏的第二道屏障，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)傳熱管的完整性對(duì)核電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要[1]。蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板通過脹接的方式連接在一起，在設(shè)備運(yùn)行期間，脹接區(qū)長期受到高溫高壓，介質(zhì)的沖擊、腐蝕等作用，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中、應(yīng)力腐蝕或晶間腐蝕[2]，是缺陷多發(fā)區(qū)，所以脹接區(qū)的脹接質(zhì)量是蒸汽發(fā)生器傳熱管出廠檢查和役前檢查嚴(yán)格管控的項(xiàng)目。

1 脹接工藝過程及質(zhì)量控制

脹接是指利用金屬彈性及塑性變形的特點(diǎn)，通過傳熱管和管板的變形達(dá)到密封和緊固目的的連接方法?，F(xiàn)階段核工業(yè)領(lǐng)域蒸汽發(fā)生器傳熱管與管板常通過全尺寸液壓脹與管端密封焊的方式連接在一起，具體流程如圖1所示。

圖1 蒸汽發(fā)生器傳熱管脹管流程圖

脹接長度是液壓脹脹接工藝的一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)。脹接長度如果超過了管板區(qū)域，一般會(huì)形成鼓包，稱為超脹，屬于嚴(yán)重的缺陷，需進(jìn)行堵管處理；如果脹接長度過小，則會(huì)形成欠脹，也是驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)不允許的，需要求補(bǔ)脹；脹接長度一般通過未脹合間隙深度來體現(xiàn)，未脹合間隙深度定義為脹管和管板的最后接觸點(diǎn)與管板二次側(cè)端面之間縫隙的長度(見圖2)。

圖2 未脹合間隙深度示意

一般國內(nèi)核電蒸汽發(fā)生器制造企業(yè)都參考RCC-M 《壓水堆核電站核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與制造法則》 第Ⅴ卷F4400中的要求，推薦的未脹合間隙深度為26 mm，但隨著工藝要求的提高，有些設(shè)計(jì)院要求將未脹合間隙深度控制在03 mm，且平均間隙深度小于2 mm，這大大提高了制造企業(yè)的難度，也對(duì)渦流測(cè)量的精度提出了更高的要求。為滿足新工藝條件下未脹合間隙深度的要求，筆者通過脹管試驗(yàn)件的渦流輪廓曲線來測(cè)量脹管未脹合間隙深度，優(yōu)化了渦流系統(tǒng)及參數(shù)，并與內(nèi)徑百分表尺寸檢查、金相剖切顯微測(cè)量法進(jìn)行對(duì)比，找出渦流測(cè)量系統(tǒng)的偏差，提高了渦流測(cè)量的精度。

2 渦流輪廓曲線測(cè)量未脹合間隙深度的原理

渦流輪廓曲線測(cè)量法利用渦流檢測(cè)的趨膚效應(yīng)，使用高頻和低頻渦流信號(hào)，對(duì)蒸汽發(fā)生器傳熱管的起脹點(diǎn)及管板二次側(cè)端面位置進(jìn)行測(cè)量。使用內(nèi)穿軸繞式渦流探頭對(duì)脹管區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí)，由于渦流趨膚效應(yīng)的影響，頻率越高，傳熱管內(nèi)表面的渦流密度越大，對(duì)內(nèi)徑尺寸變化越敏感；頻率越低，透入深度越大。傳熱管和管板材料的電導(dǎo)率也不同，渦流信號(hào)響應(yīng)也不同，低頻可探測(cè)到管板端部的結(jié)構(gòu)信號(hào)。通過高頻和低頻信號(hào)的配合，可對(duì)未脹合間隙深度進(jìn)行測(cè)量，使用渦流輪廓曲線測(cè)量未脹合間隙深度的方法如圖3所示。試驗(yàn)中，將核電蒸汽發(fā)生器脹管過渡段內(nèi)徑上拐點(diǎn)與未脹管區(qū)域內(nèi)徑差的10%位置作為脹管過渡段與管板的最后接觸點(diǎn)(TMR)。

圖3 渦流輪廓曲線測(cè)量未脹合間隙深度的方法示意

3 脹管未脹合間隙深度渦流測(cè)量試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與對(duì)象

渦流儀型號(hào)為OMNI-200R，頻率為1 kHz～1 000 kHz；渦流探頭為軸繞式探頭，填充率大于85%，其用于傳熱管脹管段檢測(cè)；標(biāo)定管是基于RSE-M 《壓水堆核電廠核島機(jī)械設(shè)備在役檢查規(guī)則》 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，用于信號(hào)標(biāo)定；試驗(yàn)要求采集速度變化率應(yīng)在其標(biāo)稱值的±5%范圍內(nèi)；用液壓脹接的管板試驗(yàn)件。

3.2 試驗(yàn)方案

渦流采樣率是影響渦流測(cè)量未脹合間隙精度的一個(gè)重要因素，管板試件A為有15根脹管的管板試件，脹接設(shè)計(jì)的未脹合間隙深度為1.5 mm，對(duì)每根脹管分別以2 (采集速度為300 mm·s-1)，5(采集速度為300 mm·s-1)，10點(diǎn)·mm-1(采集速度為150 mm·s-1)的采樣率進(jìn)行采集，對(duì)渦流測(cè)量得到的未脹合間隙深度結(jié)果進(jìn)行分析比較。

管板試件B為有17根脹管的管板試件，脹接要求將未脹合間隙深度控制在03 mm，且平均間隙深度小于2 mm；分別采用渦流測(cè)量、內(nèi)徑百分表尺寸檢查和金相檢驗(yàn)測(cè)量法對(duì)這17根脹管的未脹合間隙深度進(jìn)行比較，以優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)，找出渦流測(cè)量的系統(tǒng)偏差。

對(duì)管板試件C的133根脹管未脹合間隙深度進(jìn)行渦流測(cè)量，通過前兩個(gè)方案對(duì)渦流參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化和修正，并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)分析與統(tǒng)計(jì)。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)管板試件A的15根脹管進(jìn)行3種不同采樣率的測(cè)量,得到的測(cè)量結(jié)果如表1所示。

表1 不同渦流采樣率對(duì)未脹合間隙深度的測(cè)量結(jié)果 mm

進(jìn)而得到3種不同采樣率下15根脹管未脹合間隙深度的渦流測(cè)量曲線，如圖4所示。

圖4 3種不同采樣率下未脹合間隙深度渦流測(cè)量曲線

(1) 一般理論上認(rèn)為渦流采樣率越高，每單位長度上分布的采樣點(diǎn)越多，渦流測(cè)量的分辨率就越高，測(cè)量的精度就越高，從圖4可看出，2點(diǎn)·mm-1采樣率的采樣點(diǎn)較少，所得的測(cè)量結(jié)果距設(shè)計(jì)值偏離較大，很難滿足工藝中對(duì)測(cè)量精度的要求。

(2) 從圖4中采樣率為5，10點(diǎn)·mm-1的曲線可看出，在采集時(shí)間增加一倍的前提下，10點(diǎn)·mm-1的采樣率和5點(diǎn)·mm-1的采樣率的結(jié)果并沒有明顯不同。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在采集速度為300 mm·s-1(采樣率為5點(diǎn)·mm-1)的條件下，采集速度變化率在其標(biāo)稱值的±5%時(shí)，測(cè)得的未脹合間隙尺寸有±0.15 mm的變化，所以渦流測(cè)量精度還受探頭推拔器采集速度的變化和其他因素的影響，綜合各種因素，從工程應(yīng)用上考慮，推薦采樣率為5點(diǎn)·mm-1。

對(duì)管板模擬件B的17 根脹管渦流數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，同時(shí)逐一用內(nèi)徑百分表進(jìn)行尺寸檢查，完成后進(jìn)行金相檢驗(yàn)測(cè)量(使用25 倍低倍鏡觀察測(cè)量)。最后對(duì)3種方法的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較，詳細(xì)結(jié)果如表2所示。

表2 3種方法的未脹合間隙深度測(cè)量結(jié)果 mm

這3種測(cè)量方法有其各自的適用性：金相檢驗(yàn)測(cè)量法適用于工藝試驗(yàn)件及樣件等的脹接質(zhì)量檢測(cè)，可對(duì)渦流測(cè)量、內(nèi)徑百分表尺寸檢查結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，不適用于產(chǎn)品檢測(cè)；內(nèi)徑百分表尺寸檢查適用于試驗(yàn)及產(chǎn)品脹接過程中的實(shí)時(shí)質(zhì)量控制，檢測(cè)方便，但對(duì)操作者手法要求較高；渦流輪廓曲線測(cè)量技術(shù)具有重復(fù)性好、結(jié)果客觀、顯示圖形直觀等優(yōu)點(diǎn)，配以自動(dòng)分析技術(shù)，可大大縮短檢查時(shí)間，適用于最終測(cè)量和整體質(zhì)量控制。

金相檢驗(yàn)時(shí)，未脹合間隙深度=渦流測(cè)量值+0.35 mm，檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 管板試驗(yàn)件B4管左側(cè)和右側(cè)未脹合間隙深度金相檢驗(yàn)結(jié)果

(3) 對(duì)采集到的133根脹管修正TMR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)處理，結(jié)果如圖6所示，133根脹管未脹合間隙深度滿足03 mm，且平均間隙深度小于2 mm的設(shè)計(jì)要求，結(jié)果呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律。

圖6 試件C的未脹合間隙深度統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 結(jié)語

(1) 渦流采樣率對(duì)未脹合間隙深度的渦流測(cè)量精度有較大影響，采樣點(diǎn)過少會(huì)引起測(cè)量結(jié)果偏差較大，但采樣率并非越高越好，在推拔器速率變化和其他因素的影響下，采樣率提高到一定程度后，其對(duì)測(cè)量精度的影響會(huì)變得很小，從工程應(yīng)用上考慮，推薦采樣率為5點(diǎn)·mm-1。

(2) 通過金相檢驗(yàn)的方法測(cè)量未脹合間隙深度，可為渦流測(cè)量偏差的調(diào)整提供校核依據(jù),提高了渦流測(cè)量未脹合間隙深度的可靠性與精確度。

(3) 在無法進(jìn)行金相檢驗(yàn)時(shí)，考慮到蒸汽發(fā)生器管板的最終厚度制造公差有0.5 mm左右，百分表尺檢測(cè)無法將這部分偏差考慮進(jìn)去，所以一般認(rèn)為渦流和百分表尺檢測(cè)結(jié)果精度的數(shù)量級(jí)一致。